Wachstumsanalyse amorpher dicker Schichten und Schichtsysteme
Growth analysis of thick amorphous films and multilayers
von Christoph Streng
Datum der mündl. Prüfung:2004-05-18
Erschienen:2004-07-14
Betreuer:Prof. Dr. Stefan G. Mayr
Gutachter:Prof. Dr. Konrad Samwer
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Format:PDF
Description:Dissertation
Zusammenfassung
Englisch
Based on a stochastic partial differential equation, surface morphology evolution of growing amorphous thin films can be described. For enhancement and verification of the applicability to thick films and multilayers, research on Zr65Al7.5Cu27.5 and Zr65Al7.5Cu27.5 / Zr65Al35 films was done.It can be shown that a breakdown of the description exists for a film thickness above 500nm. The continuum modeling, predicting a saturation of roughness and lateral size, cannot hold the experimental results for a thickness exceeding 1000nm. Here, further increase in both values as well as the formation of a superstructure is observed.The evolution of surface morphology for multilayers shows two regimes: For early stages the underlying film determines the surface structure. On increasing cover thickness the morphology mainly represents the topmost layer, whereas the roughness corresponds to a fully grown film of the topmost composition. Due to the structure of the underlying film nonlinear effects cause the roughness to be slightly increased. Except for the transition region where the composition of the films is changed, the continuum modeling qualitatively holds for the experimental results. Referring to molecular dynamics simulations, a mathematical explanation for the transition regime discrepancy can be established.Verification of the experimental results based on scanning probe microscopy is given by means of x-ray reflectivity and diffusive x-ray scattering.
Keywords: Thin films; thick films; multilayers; UHV; electron beam evaporation; metallic glasses; scanning tunneling microscopy; scanning force microscopy; surface morphology; diffuse X-ray scattering; X-ray reflection; molecular dynamics simulation; continuum model; stochastic partial differential equation
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Mit Hilfe des Kontinuumsmodells, basierend auf einer stochastischen Differentialgleichung, konnten bisher Oberflächen von dünnen Schichten bei deren Wachstum beschrieben werden. Zur Weiterführung und Verifizierung der Anwendbarkeit auf große Schichtdicken und Mehrfachschichten wurden entsprechende Untersuchungen an dem System Zr65Al7.5Cu27.5 und dem Mehrfachsystem Zr65Al7.5Cu27.5 / Zr65Al35 durchgeführt.Es zeigt sich, dass die Gültigkeit der Beschreibung für die untersuchten amorphen ZrAlCu-Schichten eine obere Schichtdickengrenze im Bereich von 500nm aufweist. Bei deutlich darüber liegenden Schichtdicken kommt es nicht zu dem erwarteten Sättigungsverhalten der Rauigkeit und der Strukturgröße, wie es die mathematisch-theoretische Modellierung voraussagt. Vielmehr kann gezeigt werden, dass auch bei Schichtdicken oberhalb von 1000nm ein Hügelwachstum auftritt, das durch weitere Ausprägung der lateralen und vertikalen Struktur sowie gleichzeitiger Überstrukturbildung gekennzeichnet ist.Für die aus variierten Zusammensetzungen bestehenden Mehrfachschichten ist das Wachstum einer neuen oder veränderten Schicht auf einer bereits strukturiert vorhandenen Unterlage wesentlich durch die vorgegebene Struktur geprägt, vor allem in den Frühstadien. Mit zunehmender Bedeckung kommt es schließlich zu einer der reinen Schicht entsprechenden Morphologie, wobei nichtlineare Effekte eine erhöhte Rauigkeit aufgrund der gegebenen Anfangsbedingungen (Struktur der Unterlage) hervorrufen. Die relative Weiterentwicklung der Rauigkeit entspricht dabei der einer vollständig rein aufgewachsenen Schicht. Die Kontinuumsbeschreibung erlaubt dabei eine gute Modellierung der experimentell gefundenen Morphologieveränderung mit Ausnahme des direkten Übergangsbereiches verschiedener Schichten. Hierzu werden Molekulardynamiksimulationen herangezogen.Die durch Rastersondenmikroskopie gewonnenen Ergebnisse werden durch diffuse Röntgenstreuung sowie durch Röntgenreflektivitätsmessungen bestätigt.
Schlagwörter: Dünne Schichten; dicke Schichten; Multilagen; UHV; Elektronenstrahlverdampfen; metallische Gläser; Rastertunnelmikroskopie; Rasterkraftmikroskopie; Oberflächenmorphologie; diffuse Röntgenstreuung; Röntgenreflektivität; Molekulardynamiksimulation; Kontinuumsmodell; stochastische partielle Differentialgleichung; 530 Physik